Какие свойства стабилитрона оцениваются дифференциальным сопротивлением
Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
| Показатель | Линейный источник питания | Импульсный источник питания |
| Стоимость | Низкая | Высока |
| Масса | Большая | Небольшая |
| ВЧ-шум | Отсутствует | Высокий |
| КПД | 35 — 50 % | 70 — 90 % |
| Несколько выходов | Нет | Есть |
Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.
Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.
Вольт-амперная характеристика диода
Принцип работы стабилитрона
Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).
Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом
Обозначение стабилитрона
Основные параметры стабилитрона
Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.
Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.
Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.
Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.
Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.
Параметрический стабилизатор
Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.
Схема включения стабилитрона
Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.
Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.
Расчёт параметрического стабилизатора.
Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:
входное напряжение U0;
выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;
выходной ток IH = IST;
Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.
1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).
2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:
3. Определяем коэффициент стабилизации:
4. Определяем коэффициент полезного действия
Увеличение мощности параметрического стабилизатора
Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.
Параллельный стабилизатор
Схема ПСН с параллельным включением транзистора
Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно
Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.
Коэффициент стабилизации будет равен
где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя
где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.
Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.
Последовательный стабилизаттор
Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.
Схема ПСН с последовательным включением транзистора
Выходное напряжение стабилизатора:
Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.
Коэффициент стабилизации схемы
где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.
Обычно kST ≈ 15…20.
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.
Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Источник
В статье “Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост” я не мало внимания уделил дифференциальному сопротивлению, но с точки зрения объяснения его влияния на работу стабилитрона. Однако оказалось, что нуждается в пояснении само понятие дифференциального сопротивления. Вот об этом и поговорим. Как и во всех статьях для начинающих, математики будет не много, а для понимания достаточно знаний в объеме средней школы.
Сопротивление, нелинейное сопротивление, проводимость
Что такое сопротивление изучают в курсе физики средней школы. Я не сомневаюсь, что это известно абсолютно всем. Как и закон Ома
R = U / I
С точки зрения математики, связь между напряжением, током и сопротивлением линейная. А на ВАХ (Вольт Амперная Характеристика) график этой зависимости прямая линия проходящая через начало координат.
ВАХ линейного сопротивления
Чем более вертикально проходит (для этой иллюстрации), тем меньше сопротивление. В данном случае
R1 < R2 < R3
Немного позже, уже при изучении переменного тока, школьники узнают о реактивном сопротивлении катушек индуктивности и конденсаторов. Их реактивное сопротивление зависит от частоты, но зависимость между током и напряжением остается по прежнему линейной.
При знакомстве с полупроводниками школьники сталкиваются с нелинейной зависимостью между током и напряжением для P-N перехода.
Прямая ветвь ВАХ полупроводникового диода.
С точки зрения физики этот график тоже отображает сопротивление (зависимость между током и напряжением), но уже нелинейное. Нелинейной характеристикой обладает и электрический разряд в газах. Существуют и сопротивления зависящие от приложенного напряжения – варисторы. При этом нужно отметить, что термисторы и фоторезисторы не являются нелинейными сопротивлениями, так как величина их сопротивления зависит не от напряжения и тока (зависимость остается линейной), а от иных факторов, температуры и освещенности.
Да, я знаю про NTC и PTC термисторы. Но они не являются темой статьи.
Обратная к сопротивлению величина называется проводимостью.
G = I / U
Единицей проводимости является Сименс (См).
Аппроксимация
ВАХ не всегда являются графиками аналитических функций. Не редко это результат измерений и подобрать аналитическую функцию затруднительно. Или эта функция является слишком сложной.
Кроме того, параметры полупроводниковых приборов (да и вообще электронных компонентов) имеют естественный разброс, иногда довольно значительный. Поэтому точный график требуется далеко не всегда. Обычно нужна некая усредненная кривая, которая отражает типовой случай.
В таких случаях реальную кривую ВАХ делят на несколько частей и подбирают для каждой части функцию, которая является достаточно простой, но ее график может не полностью совпадать с реальностью, а давать некоторую (малую) погрешность. Это называется аппроксимацией.
Есть разные методы аппроксимации, но их изучение уведет нас далеко от темы статьи. Поэтому я остановлюсь на одном, наиболее простом методе – кусочно-линейной аппроксимации. Это замена сложной кривой отрезками прямых линий. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть для нашего случая прямой ветви ВАХ диода
Кусочно-линейная аппроксимация прямой ветви ВАХ диода
Здесь красным цветом показана реальная кривая, а отрезками черного цвета ее аппроксимация. Реальная кривая разделена точками (U1,0), (U2,I2), (U3,I3), (U4,I4) на части, которые и заменены отрезками прямых. Понятно, что чем короче эти отрезки, и чем их больше, тем точнее результат аппроксимации соответствует реальности.
Обратите внимание, что эти отрезки, хоть они и не проходят через начало координат, являются графиками постоянных сопротивлений. Тут нет никакого нарушения. Просто, хоть это и не очевидно, сопротивление на ВАХ соответствует углу между осью абсцисс и прямой линией зависимости между током и напряжением.
Если вы не очень уверены в своих знаниях математики, прочитайте статьи “Этюд о координатах” и “Сага о треугольниках”
Сопротивление соответствует углу между катетом и гипотенузой прямоугольного треугольника, вершина которого лежит (в данном случае) в начале координат. Иллюстрация моя
На этот угол не влияет сдвиг графика относительно координатных осей. Просто при сдвиге катетом будет являться не ось координат, а отрезок параллельной ей прямой. Однако я понимаю, что преобразования координат и тригонометрия не вызывают восторга у многих. Поэтому я поступлю проще. При этом я опущу вспомогательные преобразования.
Введение вспомогательной системы координат. Иллюстрация моя
Давайте возьмем отрезок ограниченный точками (U2,I2) и (U3,I3). Разместим вспомогательную систему координат U’-0-I’ в начальной точке этого отрезка. В этой вспомогательной системе координат точка (U2,I2) станет началом координат, а точка (U3,I3) будет иметь координаты (U’3, I’3). Теперь хорошо видно, что отрезок действительно соответствует ВАХ линейного сопротивления.
Мы можем спокойно работать в этой вспомогательной системе координат. А если потребуется пересчитать координаты между основной и вспомогательной системами, то используются простейшие соотношения
U’3 = U3 – U2
I’3 = I3 – I2
Теперь мы очень близко подошли к понятию дифференциального сопротивления. Осталось сделать один простой шаг.
Дифференциальное сопротивление
По графику ВАХ можно узнать какому току какое напряжение соответствует, и наоборот, для любой точки. Это будут абсолютные значения тока и напряжения.
Но есть и другая задача, определить, насколько изменится ток при изменении напряжения. Для линейного сопротивления все просто, а для нелинейного мы можем воспользоваться ранее рассмотренной аппроксимацией. Для упрощения будем рассматривать случай, когда величина изменения полностью укладывается на одном отрезке кусочно-линейной аппроксимации. В противном случае просто придется разбивать диапазон изменений на несколько частей, что не повлияет на результат, но излишне усложнит пример.
Давайте посмотрим, как изменится ток при изменении напряжения от U2 до U3 нашего примера ВАХ диода. Достаточно очевидно, что
Определение изменения тока при изменении напряжения. Иллюстрация моя
Иллюстрация кажется сложной? Не пугайтесь, на самом деле все просто. Изменение напряжения это разность двух отрезков по оси напряжений. Просто начала этих отрезков лежат в начале координат, что и позволяет нам записать привычное
ΔU = U3 – U2
В общем случае, напряжения могут отсчитываться не от нулевого уровня, а от некоторого U0. Напомню, что напряжение это разность потенциалов.
ΔU = (U3 – U0) – (U2 – U0) = U3 – U0 – U2 + U0 = U3 – U2
Зачем так сложно? Это не сложно, это иллюстрирует, что разность напряжений не зависит от точки отсчета. И для нас это важно. И именно это позволило нам так легко ввести вспомогательную систему координат.
Аналогично для тока. Величина изменения тока будет
ΔI = I3 – I2
В пределах нашего отрезка сопротивление будет постоянно и равно R23 (между точками 2 и 3).
ΔI = ΔU / R23
Обратите внимание, здесь здесь речь идет о сопротивлении между двумя точками. Это несколько отличается от просто сопротивления. На самом деле даже не важно, какая именно аппроксимация используется, и используется ли вообще.
Я уже говорил, что чем меньше аппроксимирующие отрезки, тем точнее результат аппроксимации. При длине отрезков стремящейся к нулю мы уже можем говорить не о сопротивлении между двумя точками, а о сопротивлении в данной точке, поскольку точки становятся неразличимыми. Причем совсем не обязательно точки на прямой, но и точки на кривой.
Вот это сопротивление в данной точке и называется дифференциальным сопротивлением
С математической точки зрения это производная от U по I. Я так много внимания уделил кучочно-линейной аппроксимации неспроста. В этом случае у нас дифференциальное сопротивление будет некоторой константой для каждой точки. Именно числовое значение и приводится в справочниках на электронные компоненты.
Графически, дифференциальное сопротивление это касательная к кривой ВАХ в данной точке. Помните, я приводил иллюстрацию, где сопротивление определялось как угол? Дифференциальное сопротивление как раз и определяет для заданной точки угол наклона касательной к оси абсцисс.
Приближенно можно рассчитать дифференциальное сопротивление так, как я показывал на примере R23. То есть, взяв две не очень далеко расположенные точки на графике ВАХ.
Точно так же, как проводимость является обратной величиной к сопротивлению, существует и дифференциальная проводимость, которая обратна дифференциальному сопротивлению.
По графику ВАХ можно найти соответствие тока и напряжения для любой точки. Дифференциальное же сопротивление позволяет определить величину изменения напряжения при изменении тока (и наоборот), а не абсолютные значения. Это самое важное отличие дифференциального сопротивления от просто сопротивления.
Заключение
Понятие дифференциального сопротивления может показаться сложным и непонятным, но на самом деле является довольно простым. Надеюсь, теперь у вас получилось во всем разобраться.
До новых встреч!
Источник
Сейчас выпускается много разных интегральных линейных стабилизаторов напряжения и кажется, что обычные стабилитроны отошли на второй план. А если все таки нужен стабилитрон, то можно взять TL431. Так?
Не совсем так. Стабилитроны по прежнему используют, хоть область их применения и сузилась. А TL431, при все его плюсах, иногда бывает избыточен. Да и стоит дороже, что иногда бывает важным.
Но сегодняшняя статья не об этом. Мы оставим в стороне споры о том, стоит ли использовать стабилитроны, как они работают, как устроены. Поговорим о некоторых практических аспектах их применения.
Статья из серии “электроника для начинающих“. Опытные любители электроники вряд ли найдут здесь для себя что то полезное или интересное. А профессионалам она точно будет не интересна.
Для понимания статьи достаточно знаний школьной программы в физике и математике.
Казалось бы, зачем снова рассказывать о том, что “устарело” и “давно всем известно”? Однако, как показывает практика, известно все таки не всё и не всем. И у новичков неизменно возникает множество вопросов. Особенно у тех, кто хочет достичь понимания, а не довольствуется чтением статей вроде “как рассчитать балластный резистор для стабилитрона”. Да и не устарели стабилитроны.
Давайте попробуем разобраться в некоторых особенностях применения стабилитронов. Без высшей математики и физики полупроводников, но относительно подробно.
Сразу уточню, что описываемое в статье применимо и для стабилитронов, и для стабисторов, и даже для TL431. И даже для защитных TVS диодов.
Небольшое примечание по стабисторам. В этих диодах рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ. И отсутствует обратимый пробой. Тем не менее, описанное в статье применимо и к стабисторам.
Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления
Не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но нам все таки нужно от чего то отталкиваться, что бы разговор был предметный.
Типовая схема включения стабилитрона. Иллюстрация моя. Авторство не мое
Поскольку схема совершенно стандартная, я не буду ее подробно описывать. Но нам потребуется тот факт, что потребляемый от источника напряжения Е ток равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки.
Исходя из этого обычно приводят формулу для расчету сопротивления балластного резистора
В этой формуле все верно. Просто записанная в таком виде она многое не учитывает. Напряжение источника E, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки Iн считаются известными и заранее заданными. А вот ток через стабилитрон Iст предлагается выбирать. Тут то у новичков и возникают вопросы. И ответ на вопрос, а какой же ток выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд.
Да, можно просто сказать, например, 3-5 мА будет хорошим выбором. И у новичка тут же возникает еще один вопрос, а почему именно такой ток? Вполне закономерный вопрос. К тому же, такой простой совет может быть и неверным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо малым. Для этих стабилитронов нужно выбирать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие раритеты? Вот вам пример посвежее. Для 1SMA5918BT3G нужен ток не менее 65 мА.
Что бы понять, почему так происходит мы должны повнимательнее посмотреть на ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и разобраться с понятием дифференциального сопротивления. Для начала.
Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление
Давайте нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции так же не соблюдаются.
Типовой вид ВАХ стабилитрона. Иллюстрация моя
Разными цветами я показал три основных области.
В области обратно-смещенного перехода стабилитрон ведет себя как обычный диод при подаче обратного напряжения. У стабисторов рабочей является на обратная, а прямая ветвь ВАХ, поэтому на ВАХ будет не область обратно-смещенного перехода, а область прямо-смещенного перехода при малых напряжениях. Понятно, что эта область не является рабочей для стабилитронов, а значит и интереса для нас не представляет. В справочных данных на стабилитроны обычно приводится значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.
В переходной области начинают проявляться эффекты связанные с обратимым пробоем. Часто считается, что пробой возникает мгновенно, однако это не так. Переходная область может быть довольно большой, например, у низковольтных стабилитронов. В качестве отдельного участка ВАХ эту область выделяют не всегда.
Рабочая область является основной используемой, как и следует из ее названия. Я показал ее почти линейной, но в реальности линейной она не является. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует паспортному значению напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст
Для рабочей области определяются еще две точки. Первая соответствует минимальному току Iстмин через стабилитрон, при котором рабочая точка еще находится в рабочей области. Вторая соответствует максимальному току Iстмакс через стабилитрон, при котором рассеиваемая стабилитроном мощность не превышает предельной.
Понятно, что ток Iст через стабилитрон должен лежать в пределах между Iстмин и Iстмакс. Но обратите внимание, что я показал рабочую область не строго вертикальной. И это соответствует реальности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочей области, в общем случае.
Обратите внимание, что на графике ВАХ координатные оси это напряжение и ток. А значит, прямая линия, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно не любая линия, а та, для которой положительное приращение тока соответствует положительному приращению напряжения.
А если это не прямая линия, а кривая? Как наша ВАХ. Как вы знаете, кривую можно аппроксимировать отрезками прямых. Да, не только прямых, но давайте это не будем рассматривать, нам это не потребуется. Каждый отрезок прямой определяется по двум точкам, (U0,I0) и (U1,I1), лежащими на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциального (разностного сопротивления).
Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки ВАХ. Если дифференциальное сопротивление определяется не на постоянном, а на переменном токе, то его физический смысл не изменяется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз посмотрим на наш пример ВАХ
Типовой вид ВАХ стабилитрона с разным дифференциальным сопротивлением для двух разных рабочих точек. Иллюстрация моя
Хорошо видно, что для точки (U1,I1) дифференциальное сопротивление больше, чем для точки (U2,I2). А это означает, что небольшие отклонения тока через стабилитрон во второй точке дадут меньшие отклонения напряжения стабилизации, чем в первой точке.
Что это для нас означает? Скоро узнаете. Но сначала давайте посмотрим на ВАХ реально выпускаемых стабилитронов BZX84.
ВАХ стабилитронов BZX84 производства Diotec. Фрагмент из документации производителя
Здесь показаны кривые для стабилитронов с разным напряжением стабилизации. В документации приводятся напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (тестовый ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией.
Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют большее дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1кГц). А это значит, гораздо большую зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон.
Немного подробнее о стабилизации
Давайте вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая приводилась в начале статьи. В общем случае, у нас может изменяться напряжение источника Е и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке должно, в идеальном случае, оставаться неизменным. Это и есть стабилизация.
Мы можем ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне
Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление влияние изменения тока нагрузки.
Давайте рассмотрим сначала влияние изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого вспомним, что ток через стабилитрон равен разности потребляемого от источника Е тока и тока нагрузки. Ток нагрузки у нас постоянный. Поэтому изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон.
Для упрощения предположим, что стабилитрон идеальный, а значит его напряжение стабилизации не изменится. Поэтому
ΔIст = ΔЕ / Rб
Теперь вспомнив, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации соответствующее изменению входного напряжения.
Собственно мы подтвердили ранее сделанное утверждение, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит, и влияние изменений входного напряжения. Тем меньше коэффициент стабилизации.
Давайте немного посчитаем для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5.1 В при токе 5 мА. Пусть у нас входное напряжение будет 10 В, а ток нагрузки равен 0.5 мА. Сопротивление балластного резистора при этом будет равняться 890 Ом. Предположим, что входное напряжение увеличилось на 2 В, на сколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)?
Типовое значение дифференциального сопротивления для BZV55C5V1 при токе 5 мА составляет 40 Ом. То есть, выходное напряжение изменится на 0.09 В. В худшем случае, если дифференциальное сопротивление будет равно 60 Ом, изменение составит уже 0.135 В. Даже в худшем случае изменение составит лишь 2.65% от номинального выходного напряжения.
А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно равняться 3.27 кОм. Типовое дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет равняться 400 Ом (480 Ом максимум). Теперь у нас выходное напряжение изменится на 0.24 В (0.29 В в худшем случае). А это уже 4.71% (5.69% в худшем случае).
То есть, от выбора рабочего тока через стабилитрон весьма существенно зависит стабильность напряжения стабилизации. При токе 5 мА у нас получается коэффициент стабилизации 7.56, а при токе 1 мА лишь 3.52.
Если мы будет рассматривать влияние тока нагрузки, то придем к таким же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это самостоятельно, в качестве упражнения.
Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления. Слишком малый ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Если сейчас вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из его паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73.5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартно советуемый ток 5 мА будет для него слишком мал. А вот для BZV55C5V1 он вполне подходит.
В общем случае, дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть много меньше балластного сопротивления и много меньше сопротивления нагрузки.
Это создает проблемы при входном напряжении близком к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, который имеет дифференциальное сопротивление 0.2 Ом (0.5 Ом в худшем случае). Однако, тут есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2.5 В.
Проблема с малым сопротивлением нагрузки может быть решена использованием, например, эмиттерного повторителя. Что приводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного стабилизатора. Без сомнения, вы эту схему отлично знаете.
Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них приводилось дифференциальное сопротивление для определенного тока через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда задавался минимальный ток стабилизации (во всяком случае, в отраслевых справочниках такое было).
Еще раз о расчете балластного сопротивления
Теперь мы лучше представляем себе выбор оптимального тока через стабилитрон. Но расчет балластного сопротивления все еще не учитывает некоторые, довольно важные, факторы.
Во первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, то нет и необходимости в стабилизации. Во вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным, или может считаться таковым. Например, если стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения для компаратора, то током нагрузки можно вообще пренебречь.
Что бы учесть влияние этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо после расчета балластного сопротивления для номинального входного напряжения и номинального тока нагрузки провести дополнительную проверку.
Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Нужно проверить, что бы ток через стабилитрон для выбранного Rб не превышал максимально допустимого. Причем с некоторым запасом.
Минимальный ток через стабилитроне будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Нужно проверить, что бы ток через стабилитроне не был меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, что бы рабочая точка находилась в рабочей области, а дифференциальное сопротивление было достаточно малым.
Улучшения/ухудшения
Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне не раз пытались улучшить. Пожалуй, наиболее известно предложение вместо Rб использовать стабилизатор тока. Например, заменив резистор на полевой транзистор с p-n переходом включенный как двухполюсник. Вы без сомнения видели подобные схемы не один раз.
Идея здесь проста – стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а его дифференциальное сопротивление велико. Это существенно повышает коэффициент стабилизации. Собственно, тут не важно, какой именно стабилизатор тока используется, вполне можно использовать и токовое зеркало.
Но не стоит забывать, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически ухудшить ситуацию при переменной нагрузке. Поскольку стабилизатор тока в этом случае может стать дополнительным дестабилизирующим фактором. Подумайте, почему, и в каких ситуациях, это может произойти.
ТКН (температурный коэффициент напряжения)
Напряжение стабилизации, как и следовало ожидать, зависит от температуры. Для низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. То есть, напряжение стабилизации снижается с ростом температуры. Для высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но у стабилитронов есть и островок стабильности, который расположен примерно вокруг напряжения стабилизации 5.5 В.
Выпускаются и термо?